光電編碼器主芯片失效分析與防護(hù)

0   引言

光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器，在現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人等系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于角位移或角速率的測量與轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置^[1-2]，包含光電碼盤及信號采集、讀取、編碼、邏輯運(yùn)算等不同控制模塊的電路板。

隨著半導(dǎo)體芯片進(jìn)一步向高速化、高集成化方向發(fā)展，各類控制模塊電路板的芯片焊盤（pad）都向窄節(jié)距、小尺寸方向發(fā)展，I/O 端子數(shù)、安裝級數(shù)和布線密度均大幅度增加^[3]，高密度化、高速信號、高功率輸出對電路板的封裝與散熱結(jié)構(gòu)提出更為苛刻的要求，各廠家普遍采取O 型圈密封、三防膠、高效散熱器或半導(dǎo)體冷卻等聯(lián)合來實現(xiàn)防潮與降低工作溫度。但類似結(jié)構(gòu)具有良好密封與防潮同時，也帶來了內(nèi)部工作環(huán)境密閉，其各類電子元器件、塑料密封件、散熱片、潤滑脂、防潮涂層等逸出的腐蝕性氣體聚集積累，在一定相對濕度條件下冷凝產(chǎn)生“硫化”腐蝕等失效。

本次圍繞某公司一款工業(yè)機(jī)器人編碼器（三洋電氣定制）長期服役后主芯片失效案例，運(yùn)用宏觀、體視顯微鏡、EDS 能譜、逸出氣分析（EGA,TG/MS 聯(lián)用)、面掃描、濕熱驗證等檢測與試驗手段開展分析、整改與驗證，供類似工況環(huán)境、結(jié)構(gòu)與工藝等的匹配設(shè)計時借鑒參考。

1   失效現(xiàn)象

格力電器空調(diào)總裝分廠使用23 臺某品牌工業(yè)機(jī)器人，進(jìn)行空調(diào)成品下線碼垛，役齡2 至5 年（實際服役11 688~21 400 h），陸續(xù)出現(xiàn)E0036 編碼器異常報警，故障位置集中于服役時動作較為頻繁的第二軸、第三軸伺服電機(jī)編碼器，報警后機(jī)器人無法動作，造成生產(chǎn)線停線1 h 以上。

顯示報警信息：

編碼器異常：E0036 Encoder Initialize error.UNITI:

LP180-01：J2（-：-：0001）

Error occurs when fault is detected in the encoder.

2   現(xiàn)場分析與檢修

現(xiàn)場對報警機(jī)器人對應(yīng)關(guān)節(jié)進(jìn)行編碼器復(fù)位、重新校正原點操作，故障均無法消除，機(jī)器人臂軸無法動作。按機(jī)器人操作說明書，采取置換報警對應(yīng)臂軸編碼器，重新校正原點后故障均解除。雖然異常報警發(fā)生在機(jī)器人J1、J2、J3 不同軸臂，但現(xiàn)場使用新編碼器替換，確認(rèn)失效編碼器為同一型號（PA035-017BC00L-S），為三洋電氣品牌的定制產(chǎn)品。

對機(jī)器人本體維保執(zhí)行、記錄情況檢查：①每天采用潮濕的抹布、中壓空氣等，進(jìn)行的本體清潔、維護(hù)；②軸制動測試；③按周期要求進(jìn)行潤滑、運(yùn)行順暢測試。

確認(rèn)結(jié)果：維保操作、要點理解、執(zhí)行與記錄等，無異常。

3   理化檢驗

3.1 宏觀檢驗

拆卸多臺故障機(jī)器人的編碼器封裝外殼，進(jìn)行內(nèi)部部件的宏觀觀察、分析失效原因，情形如圖1。

圖1 失效編碼器宏觀檢驗情形

碼盤部分：未見明顯磨損、臟污、變形等，說明光電碼盤完好。

O 型圈：彈性正常，未見明顯扭曲、老化、開裂等異常。

控制電路板：未見由于明顯過流、過壓、過熱等原因?qū)е碌挠∷寮霸骷p壞，初步判斷可能主控制芯片通訊等故障。

3.2 體視顯微檢驗

在開裂處取樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光并且侵蝕后，在顯微鏡下可見裂紋附近存在明顯的腐蝕凹坑，凹坑邊緣組織為退火態(tài)孿晶，說明凹坑產(chǎn)生原因為非機(jī)械外力，裂紋產(chǎn)生于凹坑減壁明顯處，裂斷處存在輕微晶粒變形。對失效的編碼器控制電路板及主芯片使用體視顯微鏡進(jìn)行微觀觀察，發(fā)現(xiàn)編碼器控制模塊運(yùn)算回路上的主芯片部分引腳根部顏色變化（明顯發(fā)黑），如圖2。

圖2 編碼器主芯片體視顯微像

3.3 EDS能譜分析

試驗材料為失效編碼器主芯片變色（發(fā)黑）芯片引腳。實驗設(shè)備為蔡司LEO EVO50HV 掃描電鏡及美國EDAX 能譜儀，進(jìn)行變色（發(fā)黑）位置點掃描（能譜）分析，結(jié)果見圖3、表2。

圖3 主芯片觸點變色（發(fā)黑）異物EDS 能譜

結(jié)果分析：對失效編碼器主芯片發(fā)生變色（發(fā)黑）的引腳根部異物進(jìn)行成分分析。正常情況下，驅(qū)動器主芯片引腳的材質(zhì)為銅Cu 及鎳Sn 鍍層。由圖3、表2 檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微量Al、Zn、Si、Ca 元素可能來自工作環(huán)境，而元素S 的含量嚴(yán)重超出環(huán)境正常標(biāo)準(zhǔn)，分析為腐蝕析出的硫化物。推斷變色（發(fā)黑）部分是銅受濕熱環(huán)境下硫化的硫化亞銅，而硫化亞銅具有一定導(dǎo)電性^[4]，造成觸點間的短路，與通訊、數(shù)據(jù)異常的故障現(xiàn)象吻合。

4   “硫化”失效機(jī)理分析

4.1 逸出氣分析（EGA）

經(jīng)查閱相關(guān)資料[5-6]，“硫化”是由于于環(huán)境中的硫（S2ˉ）元素通過擴(kuò)散、滲透等進(jìn)入驅(qū)動器主芯片，在一定溫、濕度條件下（熱量促使分子運(yùn)動加劇），-2 價的硫與+2 價的Cu 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成黑色Cu2S 的過程。

為分析驅(qū)動器主芯片工作環(huán)境中的硫（S2ˉ）元素產(chǎn)生原因。利用熱重法（TG）與氣相色譜/ 質(zhì)譜法（MS）聯(lián)用，定量分析不同工作條件（環(huán)境溫度）下，驅(qū)動器組成物質(zhì)逸出氣分析（EGA），以排查驅(qū)動器結(jié)構(gòu)及工藝等方面的原因。

試驗儀器與方法：德國Netzsch 同步熱分析儀STA409PC 和四極質(zhì)譜儀Aeolos QMS403C 組成的TG/MS 聯(lián)用儀系統(tǒng)。可完成熱重(TG) 和差示掃描量熱分析(DSC) 的綜合熱分析（運(yùn)行最高溫度達(dá)1 500 ℃。精度小于1 ℃）。并采取實時在線及間歇采樣監(jiān)測熱化學(xué)過程中的產(chǎn)物析出。溫度條件下，TG 產(chǎn)物析出后通過爐膛上部連接的不銹鋼毛細(xì)管（300 ℃以上恒溫，防止產(chǎn)物冷凝）進(jìn)入MS 定量分析。

試驗試樣：編碼器控制板拆解零件，包括：基板、傳熱片（除去丙烯層）、傳熱片（丙烯酸酯層）、O 型圈、O 型圈涂抹的潤滑脂、中間部涂抹潤滑脂、軸承潤滑脂（EA7）、 軸承密封件。

試驗條件：采用升溫速率為5 ℃ /min， 載氣為20 mL/min 的干燥壓縮空氣（壓力露點低于-40 ℃）。試驗初始溫度為35 ℃，終溫為85 ℃，每隔5~10 ℃TG/MS 在線采樣分析。

4.2 結(jié)果與討論

在分析逸出組分時采用了歸一法[7], 將各組分的離子流強(qiáng)度峰對析出時間進(jìn)行積分, 得到各組分在整個過程中累積的離子流峰面積。然后, 根據(jù)各自的實裝重量,將進(jìn)樣結(jié)果換算為單個編碼器內(nèi)部樣品實際重量對應(yīng)的逸出氣體量( 表3、4)。

當(dāng)編碼器內(nèi)部零部件分解溫度升至85 ℃時，檢測逸出的硫化氣體含量( 表3)。由表3 得知, 編碼器內(nèi)部較多零部件會高溫逸出二硫化碳、二氧化硫等硫化污染氣體，其中以傳熱片（除去丙烯層）、軸承密封件為顯著。

當(dāng)編碼器內(nèi)部零部件分解溫度在40~85 ℃范圍內(nèi)，逐步升高并間歇采樣，測得不同溫度下逸出的硫化氣體含量（表4）。由表4 得知, 編碼器內(nèi)部軸承密封件在60 ℃開始逸出微量二硫化碳，并隨著溫度提高逐步增加。機(jī)器人高負(fù)載能達(dá)到的85 ℃條件下，傳熱片（除去丙烯層）、軸承密封件等均發(fā)生顯著逸出。對表4 各溫度下逸出硫化污染氣體量分別求和^[7]，得到隨負(fù)載提升與工作溫度變化，單個編碼器內(nèi)部零件硫化污染氣體單位時間逸出量的變化規(guī)律曲線（圖4）。

可見高溫條件下，編碼器內(nèi)部零部件會在較短時間內(nèi)逸出硫化污染氣體，并由于編碼器較好的密封特性，而形成不斷積聚。在機(jī)器人動作難度、負(fù)載要求較高的情況下^[8]，編碼器控制主芯片IC 發(fā)熱，發(fā)熱溫度可達(dá)到80 ℃以上。通過EGA 實驗結(jié)果表明，此時會產(chǎn)生硫化氣體。其中，冷卻IC 的散熱傳熱片（除去丙烯層）與主芯片IC引腳緊密接觸，且銅質(zhì)引腳在高溫與冷卻循環(huán)^[9] 工作中，一定濕熱條件的硫化氣體會在其上逐步凝結(jié)反應(yīng)成Cu2S，造成編碼器引腳短路、失效、報警。

5   防護(hù)及確認(rèn)

5.1 防止硫化改善

本次光電編碼器主芯片失效是由于內(nèi)部零件在高負(fù)荷下逸出的硫化氣體，并隨后硫化緊密接觸的主芯片IC 引腳。因零件的替換選型意味著大量的強(qiáng)度、壽命與可靠性計算與試驗。可以換一種思路，直接對發(fā)生失效的光電編碼器主芯片密集引腳位置采取防護(hù)，并加強(qiáng)編碼器吸濕防潮措施，降低內(nèi)部濕度。從防護(hù)引腳硫化與減少冷凝兩方面采取措施。

5.2 防止硫化改善效果確認(rèn)

為確認(rèn)保護(hù)涂層的防護(hù)效果，將編碼器內(nèi)部電路板（主芯片引腳涂層防護(hù)）暴露恒溫恒濕箱中，箱內(nèi)放置有一定濃度的硫化氣體飽和水溶液，用這種方法得到35 或85 ℃下85% 濕度的氣氛[10]，各20 h 對比試驗后取出。

在本文1.5 試驗設(shè)備下，采用面掃描技術(shù)對編碼器主芯片引腳根部位置關(guān)心的化學(xué)元素(C、O、Cu、Si、Sn) 做了元素分布狀態(tài)圖，并利用計算軟件得到合成像結(jié)果如圖5 所示。

由圖5，通過面掃描合成像，可以清晰觀察到芯片引腳根部是否有硫化亞銅。檢測結(jié)果顯示未進(jìn)行防護(hù)處理的出現(xiàn)硫化亞銅（圖5(a)），而防護(hù)措施可以有效避免（圖5(b)）。

5.3 防潮吸濕措施效果確認(rèn)

模擬編碼器工作過程中的發(fā)熱降溫過程。將編碼器（加強(qiáng)結(jié)構(gòu)防潮、采用低露點氣氛封裝）溫度下降到0 ℃、然后在80 ℃濕度85%RH 保持20 h、然后自然冷卻到室溫^[10]。并在編碼器內(nèi)部安裝溫度、濕度傳感器，監(jiān)測試驗中改善前后的編碼器內(nèi)溫、濕度變化（圖6）。

從圖6 可見，經(jīng)降溫和升溫的溫度循環(huán)，驗證編碼器防止呼吸效應(yīng)吸潮能力。未采取防潮吸濕措施，降至常溫時相對濕度達(dá)到52%（圖6(a)）。增加防潮吸濕處理編碼器在溫降至常溫時相對濕度為35%（圖6(b)），實現(xiàn)了有效的防潮、防冷凝。

6   實施與確認(rèn)

故對我司同類設(shè)備編碼器給予全部有計劃的更換（替換為改善后編碼器），由廠家免費(fèi)提供新編碼器，并對我司設(shè)備保全、維修人員進(jìn)行替換培訓(xùn)，在后續(xù)使用過程中已全部替換完畢。

統(tǒng)計各空調(diào)總裝分廠同類機(jī)器人設(shè)備共計23 臺，每臺設(shè)備同型號編碼器3 個，共計69 個（單個編碼器采購價格約1.2 萬元），故障原因分析確認(rèn)為設(shè)備廠家責(zé)任（由其負(fù)責(zé)提供全新編碼器置換），節(jié)省備件費(fèi)用82.8 萬元。單次編碼器故障造成停產(chǎn)約1 小時，單次效率損失約0.2 萬元，避免此類故障造成效率損失約13.8萬元。批量更換后已穩(wěn)定運(yùn)行近2 年未再出現(xiàn)同類故障。

7   結(jié)語

某款光電編碼器主芯片在工業(yè)機(jī)器人上2~5 年長期服役后，出現(xiàn)多例引腳“硫化”腐蝕導(dǎo)致的短路、通訊與控制失效，為其內(nèi)部散熱片基材、軸承密封件等零部件在高負(fù)載工況下逸出硫化氣體，在主芯片密集引腳位置冷凝聚集反應(yīng)，產(chǎn)生硫化腐蝕導(dǎo)致。

因零件的替換選型意味著大量的強(qiáng)度、壽命與可靠性計算與試驗。采取了主芯片失效引腳涂層防護(hù)并加強(qiáng)編碼器吸濕防潮措施。實施后經(jīng)氣氛暴露、潮態(tài)試驗及長期使用驗證，有效預(yù)防了“硫化”導(dǎo)致短路、通訊等，并為公司追回了設(shè)備備件與停產(chǎn)效益損失。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）